CN110454851A - 一种热电过冷跨临界co2热泵联合供暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统。本发明的蒸发器出口与压缩机入口相连，压缩机出口与气体冷却器工质侧入口相连，气体冷却器工质侧出口与热电过冷器冷端入口相连，热电过冷装置冷端出口与节流阀入口相连，节流阀出口与蒸发器入口相连；供暖回水出口与热电过冷装置热端入口相连，热电过冷装置热端出口与气体冷却器换热流体侧入口相连，所述气体冷却器换热流体侧出口与混合罐入口相连，混合罐出口与供暖回水入口相连。本发明更大程度上减小节流损失，并进一步降低CO2运行高压，提高CO2热泵整体系统效率，降低压缩机压比，提高等熵效率，提高压缩机寿命。
Description
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，特别是涉及一种热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统。
背景技术
供暖行业作为对国民经济发展有着全局性，先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。我国北方大部分城镇和农村地区的采暖方式都是依靠燃煤，而且还是低质煤，其燃烧产生的污染物更多，对环境的危害更大。
为治理北方冬季雾霾问题，政府提出采用煤改电等措施解决北方冬季供暖，即通过用电、燃气等较清洁能源代替传统的燃煤供热。对于直接电热(电锅炉、电暖器、发热电缆等)的供暖方式，能量直接从高品位的电能转换为低品位的热能，虽然清洁方便，但是能源利用率低下、能耗大，居民无法承受。
针对这一问题，可采用空气源热泵，通过少量的高品位电能输入，获得更多的热能用于供暖，达到高效清洁供暖的目的。针对老式供暖系统，其末端通常采用暖气片，供回水温差较大。如采用空气源热泵取代燃煤锅炉后，其供回水温度应保持不变。然而目前市场上销售的满足这一工况条件的空气源热泵产品使用的制冷剂主要为HFC或HCFC类人工合成制冷剂，这些制冷剂GWP值较高，具有较强的温室效应。2016年10月全球达成的《蒙特利尔议定书》基加利修正案提出要重点削减HFC类化合物。
因此，自然工质CO2逐渐引起了人们的广泛关注。而CO2的临界温度为31.1℃，因此，在共同的制热条件下，使用CO2的热泵系统需要以跨临界循环模式操作。跨临界循环的高压运行压力高达8-12MPa，与传统的热泵循环相比，导致更大的节流损失和相对较低的COP。所以CO2热泵适用于供回水温差大的系统(比如用于热泵热水器系统)，如采用CO2热泵用于供暖，其能效较低。因此，迫切需要提高供回水温差且不降低CO2热泵系统能效的CO2热泵供暖系统，以满足高效环保的供暖要求。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统。
本发明一种热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，包括跨临界CO2热泵循环和热电过冷装置；
所述跨临界CO2热泵循环包括节流阀、蒸发器、压缩机、气体冷却器；所述蒸发器出口与压缩机入口相连，压缩机出口与气体冷却器工质侧入口相连，气体冷却器工质侧出口与热电过冷器冷端入口相连，热电过冷装置冷端出口与节流阀入口相连，节流阀出口与蒸发器入口相连；供暖回水出口与热电过冷装置热端入口相连，热电过冷装置热端出口与气体冷却器换热流体侧入口相连，所述气体冷却器换热流体侧出口与混合罐入口相连，混合罐出口与供暖回水入口相连；
所述跨临界CO2热泵循环的制冷剂采用自然工质CO2，热电过冷装置由若干对热电偶组成。
热电过冷装置由若干对热电偶组成。热电过冷器热端将吸收的CO2流体的热量传递给回水，使回水温度升高，达到供暖性能；冷端与CO2换热，使气体冷却器出口的CO2实现过冷，提高系统整体能效。CO2热泵循环工质为CO2，压缩机将CO2压缩成高温高压过热气体，进入气体冷却器与回水进行换热，然后CO2与热电过冷器的冷端发生热量交换，CO2实现过冷，然后经过节流阀膨胀节流后变为低温低压的气液两相流体，然后流入蒸发器吸热蒸发变为低温低压气体，被压缩机吸入，完成跨临界CO2热泵循环。
热电过冷装置由第一级热电过冷器和第二级热电过冷器串联组成，每级热电过冷器由若干对热电偶组成，所述气体冷却器工质侧出口与第一级热电过冷器冷端入口相连，第一级热电过冷器冷端出口与第二级热电过冷器冷端入口相连，第二级热电过冷器冷端出口与节流阀入口相连，供暖回水出口与第二级热电过冷器热端入口相连，第二级热电过冷器热端出口与第一级热电过冷器热端入口相连，第一级热电过冷器热端出口与所述气体冷却器换热流体侧入口相连。
热电过冷装置由多级热电过冷器串联组成，每级热电过冷器由若干对热电偶组成。
热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统用于制取高温热水，在供回水温差较小工况条件下系统高效运行，在住宅用户供热末端不变的前提下，可替代传统燃煤锅炉。可通过多个热电过冷器实现对CO2进行多级过冷，并对水进行多级加热，减小热电偶冷热端与CO2及水之间的换热温差，减小换热不可逆损失，使换热形成更良好的温度匹配，提升系统效率。还可根据需求应用多级串联热电过冷器，提升系统效率，进一步改善系统性能。降低热电偶冷热端间温差，热电偶效率明显提升，进而提升系统整体能效。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)通过热电过冷器对跨临界CO2循环气体冷却器出口的CO2进行过冷，降低CO2进入节流阀前的温度，减小节流损失，并进一步降低CO2运行高压，减小压缩机压比，提升压缩机使用寿命，提高系统整体能效。
(2)跨临界CO2热泵循环的制冷剂为自然工质CO2。CO2的GWP为1，ODP为0，安全无毒不可燃、廉价易获取，在高温条件下也不分解产生有害气体，是环境友好的制冷剂。热电过冷器辅助过冷，工作无噪声，无液态或气态介质，清洁无污染，有广泛应用前景。
(3)热电过冷器与跨临界CO2循环联合供热，提高CO2热泵系统的供回水温差。回水分为两路，一路流过热电过冷器的热端进行加热，另一路流经跨临界CO2循环的气体冷却器换热流体侧进行加热，加热后的两路热水进入混合罐进行混合，之后流入供暖末端，两路回水的进出口温差较小，在保证暖气片供热工况的前提下，提高系统能效。
(4)可通过多个热电过冷器实现对CO2进行多级过冷，并对水进行多级加热，减小热电偶冷热端与CO2及水之间的换热温差，减小换热不可逆损失，提升系统效率。还可根据需求应用多级串联热电过冷器，提升系统效率，进一步改善系统性能。降低热电偶冷热端间温差，热电偶效率明显提升，进而提升系统整体能效。
附图说明
图1为单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图；
图2为双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图；
图3为多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图；
图4为单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图；
图5为双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图；
图6为多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图。
具体实施方式
实施例一：单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统
本发明热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统由热电过冷器和跨临界CO2热泵循环组成，单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图如图1所示，单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图如图4所示。其中，虚线为跨临界CO2热泵循环(1-2-3-4)，细实线为热电过冷过程，热电过冷器冷端温度为图4所示a-b对应温度，热电过冷器热端温度为图4所示c-d对应温度，粗实线表示水的温升过程。对于单级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，具体实施方式如下：
第一步：压缩机4吸入蒸发器3出口处的低温低压的饱和CO2气体(如图4状态1)，将其压缩为高温高压的气体(如图4状态2)，进入气体冷却器5CO2侧，与一路回水进行换热后温度降低(如图4状态9)，之后流经热电过冷器1冷端进行过冷至图4状态3，再进入节流阀2节流后变为低温低压的气液两相状态(如图4状态4)，经蒸发器3蒸发吸热后成为低温低压气体(如图4状态1)再进入压缩机4中，完成跨临界CO2热泵循环。
第二步：回水分为两路，一路回水(如图4状态5)流经热电过冷器1热端被加热至图4状态6，另一路回水(如图4状态7)流经气体冷却器5换热流体侧被加热至图4状态8，两路经加热后的热水流入混合罐6混合，然后流入供暖末端，得到所需温度热水。
实施例二：双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统
本发明热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统由热电过冷器和跨临界CO2热泵循环组成，双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图如图2所示，双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图如图5所示。其中，虚线为跨临界CO2热泵循环(1-2-3-4)，细实线为热电过冷过程，两级热电过冷器冷端温度分别为图5所示a1-b1、a2-b2对应温度，两级热电过冷器热端温度分别为图5所示c1-d1、c2-d2对应温度，粗实线表示水的温升过程。对于双级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，具体实施方式如下：
第一步：压缩机4吸入蒸发器3出口处的低温低压的饱和CO2气体(如图5状态1)，将其压缩为高温高压的气体(如图5状态2)，进入气体冷却器5CO2流体侧，与一路回水进行换热后温度降低(如图5状态9)，之后流经第一级热电过冷器1冷端过冷，温度首先降低到图5状态10，然后流经第二级热电过冷器7，CO2温度进一步降低至图5状态3，再进入节流阀2节流后变为低温低压的气液两相状态(如图5状态4)，经蒸发器3蒸发吸热后成为过热气体再进入压缩机4中(如图5状态1)，完成跨临界CO2热泵循环。
第二步：回水分为两路，一路回水(如图5状态5)依次经过热电过冷器7和热电过冷器1的热端进行加热至图5状态6，另一路回水(如图5状态7)流经气体冷却器5换热流体侧进行加热至图5状态8，两路经加热后的热水流入混合罐6混合，然后流入供暖末端，得到所需温度热水。
实施例三：多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统
本发明热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统由热电过冷器和跨临界CO2热泵循环组成，多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统示意图如图3所示，多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统循环T-s图如图6所示。其中，虚线为跨临界CO2热泵循环(1-2-3-4)，细实线为热电过冷过程，多级热电过冷器冷端温度分别为图6所示a1-b1、a2-b2…ai-bi…an-bn对应温度，多级热电过冷器热端温度分别为图5所示c1-d1、c2-d2…ci-d…cn-dn对应温度，粗实线表示水的温升过程。对于多级热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，具体实施方式如下：
第一步：压缩机4吸入蒸发器3出口处的低温低压的饱和CO2气体(如图6状态1)，将其压缩为高温高压的气体(如图6状态2)，进入气体冷却器5CO2流体侧，与一路回水进行换热后温度降低(如图6状态9)，之后流经第一级热电过冷器1冷端进行过冷，温度降低至图6状态10，经过若干次连续过冷，温度降至图6状态11，流经第i级热电过冷器7冷端进行过冷，温度降低至图6状态12，经过若干次连续过冷，温度降低至图6状态13，之后流经第n级热电过冷器8冷端进行过冷，温度降低至图6状态3，再进入节流阀2节流后变为低温低压的气液两相状态(如图6状态4)，经蒸发器3蒸发吸热后成为过热气体再进入压缩机4中(如图6状态1)，完成跨临界CO2热泵循环。
第二步：回水分为两路，一路回水(如图6状态5)流经n级热电过冷器热端进行n次梯级加热后，温度上升至图6状态6，另一路回水(如图6状态7)流经气体冷却器5换热流体侧被加热至图6状态8，两路经加热后的热水流入混合罐6混合，然后流入供暖末端，得到所需温度热水。
本发明解决能效偏低的问题，采用过冷的方法来提高跨临界CO2热泵供暖系统的能效。热电过冷器主要包括热电模块，热侧热交换器，冷侧热交换器和电源。热侧热交换器将热电模块的热量传递到水中，冷侧热交换器将热量从CO2传递到热电模块的冷侧。热电装置环保无污染、没有活动部件、具有更长的寿命。本发明采用热电过冷器对气体冷却器出口的CO2流体进行过冷，降低进入膨胀阀的CO2流体温度，减小节流损失和排气压力，提升循环COP。CO2过冷过程中的热量通过热功转换最终传递至回水中，代替燃煤实现供暖性能，为解决雾霾问题提供可行的解决方案，具有较大的社会意义。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，其特征在于，包括跨临界CO2热泵循环和热电过冷装置；
所述跨临界CO2热泵循环包括节流阀(2)、蒸发器(3)、压缩机(4)、气体冷却器(5)；所述蒸发器(3)出口与压缩机(4)入口相连，压缩机(4)出口与气体冷却器(5)工质侧入口相连，气体冷却器(5)工质侧出口与热电过冷器(1)冷端入口相连，热电过冷装置(1)冷端出口与节流阀(2)入口相连，节流阀(2)出口与蒸发器(3)入口相连；供暖回水出口与热电过冷装置(1)热端入口相连，热电过冷装置(1)热端出口与气体冷却器(5)换热流体侧入口相连，所述气体冷却器(5)换热流体侧出口与混合罐(6)入口相连，混合罐(6)出口与供暖回水入口相连；
所述跨临界CO2热泵循环的制冷剂采用自然工质CO2，热电过冷装置由若干对热电偶组成。
2.根据权利要求1所述的热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，其特征在于，热电过冷装置(1)由若干对热电偶组成。
3.根据权利要求1所述的热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，其特征在于，热电过冷装置(1)由第一级热电过冷器和第二级热电过冷器串联组成，每级热电过冷器由若干对热电偶组成，所述气体冷却器(5)工质侧出口与第一级热电过冷器(1)冷端入口相连，第一级热电过冷器(1)冷端出口与第二级热电过冷器(7)冷端入口相连，第二级热电过冷器(7)冷端出口与节流阀(2)入口相连，供暖回水出口与第二级热电过冷器(7)热端入口相连，第二级热电过冷器(7)热端出口与第一级热电过冷器(1)热端入口相连，第一级热电过冷器(1)热端出口与所述气体冷却器(5)换热流体侧入口相连。
4.根据权利要求1所述的热电过冷跨临界CO2热泵联合供暖系统，其特征在于，热电过冷装置(1)由多级热电过冷器串联组成，每级热电过冷器由若干对热电偶组成。
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